CN115085552A - 宽输入电压范围的车用高压转低压dc-dc电源及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽输入电压范围的车用高压转低压DC‑DC电源及其控制方法，该DC‑DC电源包括：电子开关、变压器、控制反馈电路；外部微处理单元检测到外部低压电源的状态，根据该外部低压电源的状态确定是否向所述电子开关发送启动信号，并在该外部低压电源异常时，启动所述电子开关，所述控制反馈电路控制所述变压器工作，所述变压器根据一高压输入电压产生交变信号并经处理后传送一隔离低电压至所述微处理单元，所述微处理单元根据该隔离低电压工作。本发明可解决现有技术中低压供电切断后可能会造成电机系统失控或损坏的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及一种电源，特别是涉及一种宽输入电压范围的车用高压转低压DC-DC电源及其控制方法。
背景技术
在新能源汽车中，蓄电池或者高压DC-DC电源通过低压线束给电机系统供电，在低压线束中，存在一级继电器或多级继电器控制，线束通过多段转接。在车辆运行中，由于振动、安装、功能、性能等原因，会造成接触不良或故障报警等，当电机系统在运行状态下，且当低压供电切断后，可能会造成电机系统失控或损坏，造成一定的损失。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种宽输入电压范围的、可以快速启动的车用高压转低压DC-DC电源及其控制方法，用于解决现有技术中低压供电切断后可能会造成电机系统失控或损坏的缺陷。
为了实现上述目的，本发明提供一种宽输入电压范围的车用高压转低压可以快速启动的DC-DC电源，包括：电子开关、变压器、控制反馈电路；
外部微处理单元检测到外部低压电源的状态，根据该外部低压电源的状态确定是否向所述电子开关发送启动信号，并在该外部低压电源异常时，启动所述电子开关，所述控制反馈电路控制所述变压器工作，所述变压器根据一高压输入电压产生交变信号并经处理后传送一隔离低电压至所述微处理单元，所述微处理单元根据该隔离低电压工作。
所述的DC-DC电源，其中，还包括一低压整流滤波器，用于对该交变信号进行低压整流滤波处理得到该隔离低电压。
所述的DC-DC电源，其中，所述控制反馈电路包括控制模块、MOS管、隔离反馈单元；当所述电子开关闭合时，所述控制模块开始工作，控制所述MOS管闭合、断开，此时所述变压器根据该高压输入电压产生交变信号并经由该低压整流滤波器处理后输出该隔离低电压，所述隔离反馈单元判断该隔离低电压是否达到预期输出，并在未达到预期输出时输出相应的隔离反馈信号至所述控制模块，所述控制模块根据该隔离反馈信号调节PWM占空比输出。
所述的DC-DC电源，其中，所述控制模块输出基准电压至所述隔离反馈单元，从所述隔离反馈单元检测隔离反馈信号，并调制输出PWM脉冲信号至所述MOS管，所述MOS管根据该PWM脉冲信号进行相应的闭合、断开。
所述的DC-DC电源，其中，还包括一高压输入滤波器，用于对该高压输入电压进行滤波处理后经由所述电子开关供电至所述控制模块。
所述的DC-DC电源，其中，所述高压输入电压的范围在150V-1000V。
所述的DC-DC电源，其中，还包括一整流滤波器，用于在所述变压器产生交变信号时经由该电子开关供电至所述控制模块。
所述的DC-DC电源，其中，所述变压器采用异端输出，与所述控制模块、所述MOS管、该低压整流滤波器构成单端反激拓扑。
所述的DC-DC电源，其中，所述电子开关的启动时间在2mS以内。
所述的DC-DC电源，其中，所述隔离低电压为16V。
为了实现上述目的，本发明还提供一种宽输入电压范围的车用高压转低压DC-DC电源的控制方法，所述DC-DC电源包括电子开关、变压器、控制反馈电路，该控制方法包括以下步骤：
步骤一，外部微处理单元检测到外部低压电源的状态，根据该外部低压电源的状态确定是否向所述电子开关发送启动信号；
步骤二，当该外部低压电源异常时，所述微处理单元向所述电子开关发送启动信号，所述电子开关闭合，所述控制反馈电路控制所述变压器工作，所述变压器根据一高压输入电压产生交变信号并经处理后传送一隔离低电压至所述微处理单元；
步骤三，所述微处理单元根据该隔离低电压工作。
所述的控制方法，其中，所述控制反馈电路包括控制模块、MOS管、隔离反馈单元，所述步骤二中，还包括：
当所述电子开关闭合时，所述控制模块开始工作，控制所述MOS管闭合、断开，此时所述变压器根据该高压输入电压产生交变信号并经由一低压整流滤波器处理后输出该隔离低电压，所述隔离反馈单元判断该隔离低电压是否达到预期输出，并在未达到预期输出时输出相应的隔离反馈信号至所述控制模块，所述控制模块根据该隔离反馈信号调节PWM占空比输出。
所述的控制方法，其中，所述步骤二中，还包括：
所述控制模块输出基准电压至所述隔离反馈单元，从所述隔离反馈单元检测隔离反馈信号，并调制输出PWM脉冲信号至所述MOS管，所述MOS管根据该PWM脉冲信号进行相应的闭合、断开。
所述的控制方法，其中，所述步骤二中，所述高压输入电压的范围在150V-1000V。
所述的控制方法，其中，所述步骤二中，所述电子开关的启动时间在2mS以内。
本发明的技术效果在于：
本发明提供的DC-DC电源及其控制方法，可解决电机运行时，低压供电切断后，可能会造成电机系统失控或损坏的缺陷，本发明通过闭环控制DC-DC电源，在必要时驱动，在降低损耗、干扰的同时，提升DC-DC电源的可靠性及寿命，并通过高速电子开关的可控设计，实现快速控制，将检测、启动、供电控制在2mS(毫秒)以内，从而实现无缝供电。另外，本发明还具有较宽的输入电压范围和输出短路保护功能。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1是本发明的宽输入电压范围的车用高压转低压DC-DC电源结构框图。
图2是本发明的宽输入电压范围的车用高压转低压DC-DC电源的控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
请参见图1，图1是本发明的宽输入电压范围的车用高压转低压DC-DC电源结构框图。本发明的DC-DC电源包括滤波装置、变压器、电子开关、控制反馈电路。
在图1中，滤波装置包括高压输入滤波器11、低压整流滤波器22和整流滤波器23，微处理单元20为MCU主控板，控制反馈电路包括控制模块10、MOS管13、隔离反馈单元14。
高压输入滤波器11包括第一输入端、第二输入端和输出端，该第一输入端接收一高压输入电压，该第二输入端与HGND(高压接地端)连接，高压输入滤波器11对该高压输入电压进行滤波处理得到第一电压，并通过该输出端输出该第一电压至变压器12，该高压输入电压的范围较宽，为150V-1000VDC。
变压器12包括第一输入端、第一输出端、第二输出端、第三输出端、第四输出端和一个连接端，第一输入端与高压输入滤波器11的输出端电连接，接收高压输入滤波器11输出的第一电压，变压器12对该第一电压进行电压变换处理后，通过第一输出端将处理后电压输出至低压整流滤波器22，低压整流滤波器22对处理后电压进行低压整流处理，得到一低压输出电压。变压器12的第二输出端与整流滤波器23连接，当电子开关15闭合时整流滤波器23输出的电压向控制模块10供电；变压器12的第三输出端与GND(低压接地端)连接，第四输出端与HGND(高压接地端)连接，变压器12通过连接端与MOS管13连接。
控制模块10与MOS管13、隔离反馈单元14、电子开关15电连接。外部微处理单元20检测外部低压电源是否异常，确定是否给控制模块10供电，当外部微控制单元20检测到低压电源处于异常状态下，向电子开关15发送一启动信号，闭合电子开关15，快速供电给控制模块10，此时供电是由高压输入滤波器11输出的电压提供，控制模块10开始工作，输出基准电压至隔离反馈单元14，从隔离反馈单元14检测隔离反馈信号，控制模块10根据隔离反馈信号调节PWM占空比输出，调制输出PWM脉冲信号至MOS管13，MOS管13接收控制模块10输出的PWM脉冲信号，并根据该PWM脉冲信号进行相应的闭合、断开，此时变压器12依据高压输入滤波器11输出的第一电压产生相应的交变信号，变压器12的第一输出端输出同步交变信号，经过低压整流滤波器22，输出相应的隔离低电压(如16V)，隔离反馈单元14检测该隔离低电压是否达到预期输出，输出相应的隔离反馈信号给到控制模块10，控制模块10根据隔离反馈信号调节PWM占空比输出，调制输出PWM脉冲信号，形成闭环控制调节，同步，变压器12的第二输出端输出的电压经过整流滤波器23，并经电子开关15供电给到控制模块10。当外部低压电源异常时，DC-DC电源工作，输出稳定的隔离低电压来保证微处理单元20可以持续工作，避免电机系统失控或损坏。当低压电源处于正常状态下，DC-DC电源不工作，电子开关15为断开状态，控制模块10不工作。
在一实施例中，MOS管13为一开关，是执行单元。
本发明的电子开关15与控制模块10、微处理单20电连接，还与高压输入滤波器11的输出端、整流滤波器23连接，电子开关15闭合时对控制模块20有直接的影响，电子开关15在没有闭合时，整个DC-DC电源不工作。
本发明的DC-DC电源采用单端反激电路架构，并采用电子开关15、变压器12、隔离反馈单元14，调节控制模块10的PWM占空比输出。
在一实施例中，由于电压波动较大，对后面的电路冲击较大，高压输入滤波器11采用RC低通滤波(电阻采用15R-100R，电容为2.2UF，其中，电阻可以灵活调节，使电路匹配最佳)，截止频率为4.8KHZ-0.8KHZ，保证后级的电压的稳定，同时，由于波动较大，瞬间电流较大，通过电阻可以有效降低冲击电流，降低干扰特性以及提升可靠性。
在一实施例中，变压器12采用异端输出，变压器12与控制模块10、MOS管13、低压整理滤波器22构成单端反激拓扑。
在一实施例中，隔离反馈单元14是由光耦、阻容器件、基准电源芯片构成隔离反馈检测回路。
在一实施例中，微处理单元20实时检测低压电源24V输入，并当低压电源24V处于异常状态(如掉电或电压低于正常的工作电压)时，微处理单元20输出一高电平信号至电子开关15，电子开关15闭合，此时控制模块10开始工作，输出PWM脉冲信号至MOS管13，控制MOS管13闭合、断开，通过变压器12提供相应的高压转换低压电源，给予微处理单元20正常的供电系统，维持微处理单元20正常工作。当低压电源24V处于正常状态时，电子开关15断开，此时整个DC-DC电源不工作。
在本发明中，在微处理单元20中，当低压电源24V掉电时降低到0V，微处理单元20的电解电容储存的能量仅能维持5mS，因此，需要快速的无缝切换供电，通过计算，在正常的设计中，由于控制的供电通过300K-1M欧姆的电阻进行RC充电供电，时间往往大于50mS，无法进行快速、无缝切换供电，通过预先的RC充电，可以进行快速的无缝切换，切换时间＜2mS，足以在微处理单20的电解电容能量降低到13V左右进行快速的切换。
请参阅图2所示，是本发明的宽输入电压范围的车用高压转低压DC-DC电源的控制方法流程图。
结合图1，在图2中，该控制方法包括以下步骤：
步骤201，外部微处理单20检测到外部低压电源的状态；
步骤202，微处理单20根据该外部低压电源的状态确定是否向电子开关15发送启动信号，当外部低压电源的状态为异常时，进入步骤203，当外部低压电源的状态为正常时，进入步骤206；
步骤203，电子开关15接收微处理单20发送的启动信号后闭合，此时DC-DC电源开始工作；
步骤204，控制反馈电路控制变压器12工作，变压器12根据高压输入电压产生交变信号并经处理后传送隔离低电压至微处理单元20；
步骤205，微处理单元20根据该隔离低电压工作。
步骤206，电子开关15处于断开状态，此时DC-DC电源不工作。
在一实施例中，上述步骤203中，由高压输入滤波器11输出的电压快速供电给控制模块10。
在一实施例中，上述步骤204中，控制模块10开始工作，输出基准电压至隔离反馈单元14，从隔离反馈单元14检测隔离反馈信号，控制模块10根据隔离反馈信号调节PWM占空比输出，调制输出PWM脉冲信号至MOS管13，MOS管13接收控制模块10输出的PWM脉冲信号，并根据该PWM脉冲信号进行相应的闭合、断开，此时变压器12依据高压输入滤波器11输出的第一电压产生相应的交变信号，变压器12的第一输出端输出同步交变信号，经过低压整流滤波器22，输出相应的隔离低电压(如16V)，隔离反馈单元14检测该隔离低电压是否达到预期输出，输出相应的隔离反馈信号给到控制模块10，控制模块10根据隔离反馈信号调节PWM占空比输出，调制输出PWM脉冲信号，形成闭环控制调节，同步，变压器12的第二输出端输出的电压经过整流滤波器23，并经电子开关15供电给到控制模块10。
当外部低压电源异常时，DC-DC电源工作，输出稳定的隔离低电压来保证微处理单元20可以持续工作，避免电机系统失控或损坏。当低压电源处于正常状态下，DC-DC电源不工作，电子开关15为断开状态，控制模块10不工作。
上述有关DC-DC电源的技术原理同样适用于图2中的控制方法，此处不再详述。
本发明由微处理单元20检测到外部低压电源24V处于状态异常时，向DC-DC电源发送启动信号，通过控制电子开关15快速启动DC-DC电源，以持续供电，并降低DC-DC电源的工作时间，以提升可靠性。
本发明通过电子开关15的控制设计，可以进行快速启动响应，启动速度非常快，启动时间在2mS以内，从而实现无缝供电，极大降低DC-DC电源的工作时间，提高全生命周期的寿命及安全性。
在DC-DC电源运行时，其电压输入范围是150V-1000VDC，功率为25W，隔离电压为2500VAC，工作环境温度为-40℃～85℃，冷却方式为自然冷却，并具备输出短路保护功能。
本发明采用DC-DC电源的设计，可解决电机正常运行时，低压供电切断后，可能会造成电机系统失控或损坏的缺陷，本发明通过闭环控制DC-DC电源，在必要时驱动，在降低损耗、干扰的同时，提升DC-DC电源的可靠性及寿命，并通过高速电子开关的可控设计，实现快速控制，将检测、启动、供电控制在2mS以内，从而实现无缝供电。另，本发明还具有较宽的输入电压范围和输出短路保护功能。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (15)
1.一种宽输入电压范围的车用高压转低压DC-DC电源，其特征在于，包括：电子开关、变压器、控制反馈电路；
外部微处理单元检测到外部低压电源的状态，根据该外部低压电源的状态确定是否向所述电子开关发送启动信号，并在该外部低压电源异常时，启动所述电子开关，所述控制反馈电路控制所述变压器工作，所述变压器根据一高压输入电压产生交变信号并经处理后传送一隔离低电压至所述微处理单元，所述微处理单元根据该隔离低电压工作。
2.如权利要求1所述的DC-DC电源，其特征在于，还包括一低压整流滤波器，用于对该交变信号进行低压整流滤波处理得到该隔离低电压。
3.如权利要求2所述的DC-DC电源，其特征在于，所述控制反馈电路包括控制模块、MOS管、隔离反馈单元；当所述电子开关闭合时，所述控制模块开始工作，控制所述MOS管闭合、断开，此时所述变压器根据该高压输入电压产生交变信号并经由该低压整流滤波器处理后输出该隔离低电压，所述隔离反馈单元判断该隔离低电压是否达到预期输出，并在未达到预期输出时输出相应的隔离反馈信号至所述控制模块，所述控制模块根据该隔离反馈信号调节PWM占空比输出。
4.如权利要求3所述的DC-DC电源，其特征在于，所述控制模块输出基准电压至所述隔离反馈单元，从所述隔离反馈单元检测隔离反馈信号，并调制输出PWM脉冲信号至所述MOS管，所述MOS管根据该PWM脉冲信号进行相应的闭合、断开。
5.如权利要求3所述的DC-DC电源，其特征在于，还包括一高压输入滤波器，用于对该高压输入电压进行滤波处理后经由所述电子开关供电至所述控制模块。
6.如权利要求5所述的DC-DC电源，其特征在于，所述高压输入电压的范围在150V-1000V。
7.如权利要求3所述的DC-DC电源，其特征在于，还包括一整流滤波器，用于在所述变压器产生交变信号时经由该电子开关供电至所述控制模块。
8.如权利要求3所述的DC-DC电源，其特征在于，所述变压器采用异端输出，与所述控制模块、所述MOS管、该低压整流滤波器构成单端反激拓扑。
9.如权利要求1所述的DC-DC电源，其特征在于，所述电子开关的启动时间在2mS以内。
10.如权利要求1所述的DC-DC电源，其特征在于，所述隔离低电压为16V。
11.一种宽输入电压范围的车用高压转低压DC-DC电源的控制方法，其特征在于，所述DC-DC电源包括电子开关、变压器、控制反馈电路，该控制方法包括以下步骤：
步骤一，外部微处理单元检测到外部低压电源的状态，根据该外部低压电源的状态确定是否向所述电子开关发送启动信号；
步骤二，当该外部低压电源异常时，所述微处理单元向所述电子开关发送启动信号，所述电子开关闭合，所述控制反馈电路控制所述变压器工作，所述变压器根据一高压输入电压产生交变信号并经处理后传送一隔离低电压至所述微处理单元；
步骤三，所述微处理单元根据该隔离低电压工作。
12.如权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述控制反馈电路包括控制模块、MOS管、隔离反馈单元，所述步骤二中，还包括：
当所述电子开关闭合时，所述控制模块开始工作，控制所述MOS管闭合、断开，此时所述变压器根据该高压输入电压产生交变信号并经由一低压整流滤波器处理后输出该隔离低电压，所述隔离反馈单元判断该隔离低电压是否达到预期输出，并在未达到预期输出时输出相应的隔离反馈信号至所述控制模块，所述控制模块根据该隔离反馈信号调节PWM占空比输出。
13.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述步骤二中，还包括：
所述控制模块输出基准电压至所述隔离反馈单元，从所述隔离反馈单元检测隔离反馈信号，并调制输出PWM脉冲信号至所述MOS管，所述MOS管根据该PWM脉冲信号进行相应的闭合、断开。
14.如权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述步骤二中，所述高压输入电压的范围在150V-1000V。
15.如权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述步骤二中，所述电子开关的启动时间在2mS以内。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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